汽车产品金属样件快速试制现代制造技术简述

黄徽董宏秀纪升伟

（1.烟台泰利机械工艺研究所有限公司，烟台 264607；2.东方瑞创达电子科技有限公司，烟台 264607）

汽车产品金属样件快速试制现代制造技术简述

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（1.烟台泰利机械工艺研究所有限公司，烟台 264607；2.东方瑞创达电子科技有限公司，烟台 264607）

本文针对汽车产品样件快速试制，阐述了快速试制技术方法，针对汽车试制件开发周期短，降低生产成本，着重说明快速试制技术中的数字化无模铸造精密成型技术、激光三维切割和快速可重构焊装系统，为汽车产品金属样件快速试制提供一定的技术参考。

快速试制 无模铸造 激光三维切割 快速可重构 焊装汽车模具

引言

汽车产品试制一般发生在整车企业需要推出全新车型或者对原有车型进行改进或升级时。汽车产品试制的对象主要指样车、车身、车身局部、内外饰件和零部件。试制样车一般有概念车、验证车和试验用车三种，概念设计更多关注外观和造型；而验证车和试验用车设计和试制更多强调尺寸合理及质量合格等。0

试制样车中各试制件以冲压成形和钣金件居多，一般是采用冷冲压成形技术成型各金属试制样件。随着整车制造企业推出新车型周期越来越短并快速占领品牌市场，已经形成了针对汽车产品金属样件快速试制的行业或产业链条，非传统配套厂开发试制样件。汽车制造业得到进一步的细化。

随着试制行业或产业链条的出现，各试制样件厂家针对样件成形技术已经不局限于冷冲压技术，而是采用更快速、可靠和制造成本相对低廉的先进试制技术，以适应样件开发周期短、产品质量要求高和数量少等特点，达到快速试制要求。

1 汽车产品金属样件快速试制现代制造技术

汽车产品金属样件车身、车身局部、内外饰件和零部件等，缩短样件试制产品周期和降低成本，必须缩短模具开发周期和降低模具制造成本。样件试制企业在不断探求能够快速响应市场的生产模式和技术策略，如快速切削和快速成形技术等。

1.1 模具快速制造

模具制造成本高，周期长，因此，为解决模具快速制造，采用数字化无模铸造精密成型技术[1-2]，既无模铸造技术，是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成和原始创新：由三维CAD模型直接驱动铸型制造，不需要模具缩短了铸造流程，实现了数字化铸造、快速制造。

同传统铸型制造技术相比，无模铸造具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：

（1）造型时间短。利用传统的方法制造铸型必须先加工模样，无论是普通加工还是数控加工，模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算。由于采用计算机自动处理，无模铸造工艺的信息处理过程一般只需花费几个小时至几十个小时。所以从制造时间上来看，该工艺具有传统造型方法无法比拟的优越性。

（2）制造成本低。无模铸造工艺的自动化程度高，其设备一次性投资较大，其它生产条件如原砂、树脂等原材料的准备过程与传统的自硬树脂砂造型工艺相同。然而又由于它造型无需模样，对于一些大型、复杂铸件，模具的成本又较高，所以其收益是明显的。

（3）一体化制造。由于传统造型需要起模，因此一般要求沿铸件最大截面处（分型面）将其分开，也就是采用分型造型。这样往往限制了铸件设计的自由度，某些表面和内腔复杂的铸型不得不采用多个分型面，使造型、合箱装配过程的难度大大增加，分型造型使铸件产生“飞边”，导致机加工量增大。无模铸造工艺采用离散/堆积成形原理，没有起模过程，所以分型面的设计并不是主要障碍。分型面的设计甚至可以根据需要不设置在铸件的最大截面处，而是设在铸件的非关键部位，对于某些铸件，完全可以采用一体化制造方法，即上下型同时成形。一体化造型最显著的优点是省去了合箱装配的定位过程，减少了设计约束和机加工量，使铸件的尺寸精度更容易控制。

（4）型、芯同时成形。传统工艺出于起模的考虑，型腔内部一些结构设计成芯，型、芯分开制造，然后再将二者装配起来，装配过程需要准确的定位，还必须考虑芯子的稳定性。无模铸造工艺制造的铸型，型和芯是同时堆积而成，无需装配，位置精度更易保证。

（5）易于制造含自由曲面的铸型。传统工艺中，采用普通加工方法制造模样的精度难以保证；数控加工编程复杂，另外涉及刀具干涉等问题。所以传统工艺不适合制造含自由曲面或曲线的铸件。而基于离散/堆积成形原理的无模铸造工艺，不存在成形的几何约束，因而能够很容易地实现任意复杂形状的造型。

（6）造型材料廉价易得。无模铸造工艺所使用的造型材料是普通的铸造用砂，价格低廉，来源广泛；而粘结剂和催化剂也是非常普通的化学材料，成本不高。

与传统有模铸件制造相比，数字化无模铸造加工费用仅为有模方法的1/10左右，开发时间缩短50%～80%，制造成本降低30%～50%。采用数字化无模铸造精密成型技术，开发快速试制件模具，周期短，成本低，达到快速试制目的。

1.2 激光三维切割

激光切割属于先进制造技术中的激光加工技术。由于激光能量集中，切割效率高，定位准确，精度高。激光三维切割在快速试制中主要是：切割下料、修边和切孔。

三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能，根据用户切割加工工件尺寸，可对不同产品、不同轨迹进行示教编程或离线编程，驱动机器人的第六轴装载光纤激光切割头对不规则工件进行三维切割。激光三维切割具有以下特点[3]：

（1）切割精度高、质量好，切口宽度小，热影响区小，切口光洁；

（2）切割速度快，加工效率高；

（3）激光加工是一种非接触式加工，没有机械加工力，不变形，也不存在噪音、油污、加工屑等污染问题，是一种绿色加工；

（4）材料适应性高，几乎可以切割任何金属和非金属材料

针对激光切割下料，相对传统使用冲压模具下料即降低成本又缩短开发周期；针对激光三维修边和切孔，不受毛坯件大小或形状限制，可在不同位置进行修边和切孔，充分发挥激光三维切割的多自由度和高柔性加工，并提高切割质量和生产效率，重要的是不用开模具就可实现下料、修边和切孔，生产成本大大降低，如图1所示。

图1 激光三维修边

1.3 快速可重构焊装系统

焊装系统的可重用性[4-5]，已经成为车身制造系统新建或重组时的瓶颈，严重地影响汽车车型的改型周期、车身装配线生产率、质量和成本。针对具有几何相似和功能相似的冲压件，设计了一种新型汽车焊装夹具。该夹具结构方案采用孔系基台、套合式立柱、可重构定位板等特别设计，可以实现快速安装和定位，降低因车型改变时带来的夹具维护升级成本。

汽车焊装生产线通常由焊机、夹具、传送装置等组成，在资源信息建模过程中，采用面向对象的方法定义焊机类、夹具类和传送夹具类。汽车焊装是一个复杂的多层次装配过程，一个车体通常有300～500个柔性薄板冲压件在约200个工位上按一定的空间位置装焊而成。快速可重构焊装系统可实现功能重构，产量重构和技术重构，达到最大限度的利用已有制造资源。

2 结论与展望

汽车产品样件快速试制技术，在新产品开发中起着重要作用。可极大缩短开发周期，降低开发成本。随着高新技术在快速试制中的应用，激光3D打印技术已开始应用到汽车和铸造产业，该项技术必将得到广泛应用和发展。

[1]大型薄壁壳体件无模铸造技术研究，铸造技术，刘丰，单忠德等，2013，10.

[2]中国的无模铸造，铸造技术，单忠德，2011，5.

[3]三维光纤激光切割机器人介绍及应用，金属加工：热加工，武亚鹏，侯建伟，2014，8.

[4]可重构焊装夹具在骨架蒙皮结构驾驶室生产中的应用，汽车工艺与材料，2012，5，李丽芹等.

[5]可重构汽车车身焊接夹具的研究?，装备制造技术，2008，2，阮冬等.

Brief Introduction on Modern Manufacturing Technology Used in Automotive Products Metal Sample Fast Trial

HUANG Hui1,DONG Hongxiu2,JI Shengwei1
（1.Yantai Talim Institute of Mechanical Technology Limited,Yantai 264607;2.East Rui Chong Electronic Technology Co.,Ltd,Yantai 264607）

In this paper,in connection with automotive products sample's rapid trial production,described a rapid prototype technology method.Considering short automotive trial product development cycle and low cost,this paper highlights the rapid digital prototype technology without casting precision molding technology,three-dimensional laser cutting and rapid re welding system configurations,providing some technical reference for automotive products metal sample fast trial.

rapid trial,without casting,three-dimensional laser cutting,fast reconfigurable welding,automotive mold